專利名稱：剃刀刀片著色的自動(dòng)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及剃刀刀片領(lǐng)域和用于制造剃刀刀片的方法。更具體地 講，本發(fā)明涉及此類方法中的剃刀刀片顏色的自動(dòng)控制。
背景技術(shù)：
剃刀片典型地由諸如不銹鋼之類的合適金屬薄片材料形成，所述 金屬薄片材料被裁切成所需的寬度并進(jìn)行熱處理以硬化金屬。硬化操
作利用一個(gè)高溫爐，金屬在其中可被暴露于大于1100'C的溫度最多 10秒，接著進(jìn)行淬火。硬化之后，在刀片上形成刀刃。刀刃典型地 具有楔形構(gòu)型，其中最終的刀尖具有小于約1000埃，例如約200埃 至300埃的半徑。刀刃可被涂敷各種涂層。例如，通常將諸如鉆石、 非晶鉆石、類鉆石碳(DLC)材料、氮化物、碳化物、氧化物或陶瓷之 類的硬涂層涂敷到刀刃或最終的刃尖上，以改進(jìn)強(qiáng)度、耐腐蝕性和剃 刮能力。含鈮或鉻材料的界層可幫助改進(jìn)基底(典型地為不銹鋼)和 硬涂層之間的結(jié)合性?？舍娪镁鬯姆蚁?PTFE)外層來降低摩擦。
重要的是可在足夠低的溫度條件下涂敷這些涂層以及可進(jìn)行任 何其它硬化后加工步驟，以便硬化的、鋒利的鋼不會(huì)被顯著回火。如 果鋼被過度回火，則它將損失其硬度并在使用期間可能不太好用。
剃刀片刀刃結(jié)構(gòu)的實(shí)例和制造方法描迷于美國專利5，295，305、 5,232,568、 4,933,058、 5,032,243、 5,497,550、 5,940,975、 5,669,144、 EP 0591334和PCT 92/03330中，這些專利以引用方式并入本文中。
剃刀刀片可包括彩色涂層，即具有與其下面的刀片材料的顏色不 同的顏色的涂層。本文所用術(shù)語"彩色"包括所有的色彩，包括黑色和 白色在內(nèi)。彩色涂層提供理想的美觀效果，但不會(huì)破壞或影響刀片的 性能或物理特性。剃刀片的色彩可與剃刀片架外殼或手柄或剃須系統(tǒng)的其它部件的色彩協(xié)調(diào)。在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，涂層基本上覆蓋 整個(gè)刀片表面，從而增強(qiáng)了美觀效果并簡化了加工。涂層是經(jīng)久耐用 的，具有對(duì)刀片材料的優(yōu)良附著性，并可被一致地和成本低廉地生產(chǎn)。 在鋼硬化工藝期間，剃刀刀片可通過使用諸如以下的技術(shù)來著
色(a)熱氧化刀片鋼，或(b)還原和受控再氧化硬金屬氧化物表面涂 層，例如提供在刀片鋼上的二氧化鈦。為降低成本、減少廢料、并且 實(shí)現(xiàn)色彩品質(zhì)和控制，要求這兩種技術(shù)具有自動(dòng)色彩控制方法和工 具。
熱氧化技術(shù)包括使刀片材料經(jīng)受硬化工藝；并且在硬化工藝期間 使刀片材料暴露于清潔的干燥空氣以便在其表面上形成氧化物層。所
的馬氏體轉(zhuǎn)變，并使硬化的刀片材料形成剃刀片、。氧化物i為剃刀片 提供彩色表面。優(yōu)選的方法不會(huì)破壞性地影響刀片的最終性能。
硬金屬氧化物表面涂層刀片著色工藝中的還原和受控再氧化涉 及以均勻厚度方式將一層硬金屬氧化物和/或金屬氮氧化物，例如氧化 鈦，和/或其它過渡金屬氧化物包括鋯、鋁、硅、鵠、鉭、鈮、鐵、以 及它們的混合物，施加到一片軟刀片鋼上，例如通過物理氣相沉積 (PVD)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、或其它沉積技術(shù)來施加。 對(duì)于此著色工藝，硬化操作包括使金屬氧化物涂布的刀片材料經(jīng)受硬 化工藝；以及在硬化工藝期間減小現(xiàn)有金屬氧化物或氮氧化物涂層中 的氧含量，并且隨后通過按目標(biāo)最終涂層顏色的比例將該涂層暴露于 受控量的清潔的干燥空氣而再氧化該氧化物。此方法也包括在再氧化 步驟之后對(duì)刀片材料進(jìn)行淬火以開始刀片材料的馬氏體轉(zhuǎn)變，并且使 硬化的刀片材料形成剃刀刀片。優(yōu)選的方法不會(huì)破壞性地影響刀片的 最終性能。
熱氧化技術(shù)包括使刀片材料穿過由兩個(gè)區(qū)域組成的隧道爐。第一 區(qū)域用來奧氏體化刀片鋼，并且用來移除任何天然氧化物涂層。此第 一區(qū)域主要包含氫和氮。緊跟在第一區(qū)域之后的被稱作氧化區(qū)的隧道 爐的第二區(qū)域用來氧化不銹鋼條表面。第一區(qū)域在其大部分長度上具有接近noo。c的溫度。當(dāng)?shù)镀牧线M(jìn)入第二區(qū)域時(shí)，恰好在氧化區(qū)
之前的第 一 區(qū)域出口附近的溫度會(huì)將刀片材料的溫度從奧氏體化期
間的超過1100°C減小至小于約800°C。隧道爐的氧化區(qū)中的有效氧 可通過控制進(jìn)料到此區(qū)域中的千燥空氣和氮的量而得到控制。通過控 制進(jìn)入氧化區(qū)的有效氧的量，可瞄準(zhǔn)和控制所形成的氧化物膜的顏 色。氧化過的鋼穿過隧道爐的氧化區(qū)之后，可通過水冷淬火裝置開始 馬氏體淬火。硬化工藝導(dǎo)致刀片材料的馬氏體化。
上述的熱氧化物刀片著色工藝可使裝飾性氧化物膜在硬化工藝 期間生成在刀片鋼上，所述硬化工藝處在奧氏體化之后和馬氏體轉(zhuǎn)變 之前。相反，如果在硬化工藝之前使用熱氧化物著色工藝來彩色化刀 片鋼，則該顏色通常會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)硬化工藝期間消褪。如果在馬氏體化轉(zhuǎn) 變之后采用熱氧化物著色工藝，通常將破壞不銹鋼條的馬氏體化特 性。上面所述的工藝通常提供高度粘附性的、保護(hù)性的氧化物，同時(shí) 允許優(yōu)良的色彩控制，并且不會(huì)負(fù)面影響硬化的不銹鋼刀片條的金屬 學(xué)性能。
硬金屬氧化物表面涂層刀片的著色和硬化技術(shù)中的還原和受控 再氧化包括使刀片材料穿過由兩個(gè)區(qū)域組成的隧道爐。第一區(qū)域用來 奧氏體化刀片鋼，并且用來還原氧化物涂層。此第一區(qū)域主要包含氫 和氮。隧道爐的緊接在第一區(qū)域之后的第二區(qū)域用來再氧化該涂層。 隧道爐的第二區(qū)域中的氧分壓可獨(dú)立于隧道爐第一區(qū)域中的環(huán)境條 件控制。通過控制隧道爐第二區(qū)域中的氧分壓，可進(jìn)一步瞄準(zhǔn)和控制 氧化膜的所需色彩。在涂布過的鋼穿過隧道爐的第二區(qū)域之后，可通 過水冷淬火裝置開始馬氏體淬火。硬化工藝導(dǎo)致刀片材料的馬氏體 化。
上述的還原和再氧化刀片著色工藝可使裝飾性過渡金屬氧化物 膜在馬氏體不銹鋼的硬化工藝期間受到特別的改性(彩色化)。如果 在硬化工藝之前彩色化裝飾性過渡金屬氧化物膜，則它通常會(huì)在標(biāo)準(zhǔn) 硬化工藝期間褪色。如果在馬氏體轉(zhuǎn)變之后進(jìn)行著色工藝，則它通常 會(huì)或是破壞不銹鋼條的馬氏體性能或是會(huì)要求更廣泛的溫度控制和
6特殊的材料處理。上面所述的工藝通常提供高度粘附性的、保護(hù)性的 氧化物，同時(shí)允許優(yōu)良的色彩控制，并且不會(huì)負(fù)面影響硬化的不銹鋼 刀片條的金屬學(xué)性能。
在上述這兩種生產(chǎn)彩色刀片的方法，即刀片鋼的熱氧化以及硬金 屬氧化物表面涂層的還原和受控再氧化中，色彩起因于從空氣/氧化物 界面部分反射的光與從氧化物/鋼界面反射的光之間的薄膜干涉。當(dāng)從 一個(gè)界面反射的光與從另一個(gè)界面反射的光同相組合而產(chǎn)生亮度時(shí)， 發(fā)生相長干涉。當(dāng)從這兩界面反射的光異相組合而產(chǎn)生暗度時(shí)，發(fā)生 相消干涉。從各個(gè)界面反射的光之間的光學(xué)相差取決于通過氧化物膜
的光程長度(OPL) 。 OPL由下式給出
OPL=2nfdcose(l)
其中
nf=薄膜的折射率 d=薄膜的厚度
e=入射光與薄膜表面的法線所成的角度。 使用因數(shù)2是考慮到由于反射而穿過膜的雙光程。 在熱氧化棵刀片鋼的情形中，氧化物的折射率可假定為大致常 數(shù)，因而顏色主要?dú)w因于最終的氧化物厚度(d)。當(dāng)再氧化刀片鋼上的 硬金屬氧化物膜時(shí)，硬金屬氧化物厚度可假定為大致常數(shù)，因而顏色 主要取決于再氧化的程度，所述程度與相關(guān)的折射率的增大相關(guān)聯(lián)。
與硬化工藝相關(guān)的參數(shù)值的變化(包括溫度、氣體流量和氣體滲 漏情況的變化)可導(dǎo)致熱氧化著色工藝中的顏色漂移。如果不作補(bǔ)償，
的變化也將在還原/再氧化工藝中導(dǎo)致硬化的刀片鋼中的相關(guān)顏色漂 移。另外，當(dāng)有狹縫的鋼條被焊合而用于連續(xù)處理時(shí)，還可發(fā)生沉積 前的金屬氧化物膜厚度的突變，從而在最終產(chǎn)品中造成顏色突變。 對(duì)于所述的刀片著色工藝，可通過如下方式對(duì)參數(shù)變化作補(bǔ)償，因此可達(dá)到目標(biāo)顏色在氧化或再氧化工藝期間，觀測(cè)硬化的刀片鋼 顏色，接著調(diào)節(jié)清潔的干燥空氣流量。然而，手動(dòng)調(diào)節(jié)會(huì)增加生產(chǎn)成 本并且對(duì)顏色漂移不能夠進(jìn)行足夠及時(shí)的補(bǔ)償，從而增加了生產(chǎn)出的 不可用刀片的材料量。
本發(fā)明涉及對(duì)自動(dòng)化顏色控制的改進(jìn)。下文描述此類方法和系 統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)適用于各種用于剃刀刀片鋼的著色的氧化工藝。 建立一種反饋回路(閉環(huán)控制)，所述回路包括下列步驟測(cè)量顏色； 比較測(cè)得的顏色和目標(biāo)顏色并且量化它們之間的差值；并且如果該差 值超過了預(yù)定閾值，則調(diào)節(jié)顏色調(diào)節(jié)參數(shù)例如進(jìn)入氧化區(qū)的空氣流 量，使得測(cè)得的顏色和目標(biāo)顏色相等同或處在預(yù)定偏差內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于制造剃刀刀片的方法，所述方法包括自動(dòng)反 饋回路測(cè)量從著色工藝退出的刀片鋼條的顏色參數(shù)；比較測(cè)得的顏色 和目標(biāo)顏色并且量化它們之間的差值；并且如果該差值超過了預(yù)定閾 值，則調(diào)節(jié)顏色調(diào)節(jié)參數(shù)，使得測(cè)得的顏色和目標(biāo)顏色相等同或處在 預(yù)定偏差內(nèi)。
在另 一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種用于自動(dòng)控制剃刀刀片顏 色的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
光度計(jì)，其被構(gòu)造為用來測(cè)量刀片鋼的當(dāng)其退出著色工藝時(shí)的反 射光譜；
控制器，其被構(gòu)造為用來調(diào)節(jié)著色工藝的參數(shù)；
處理器，其被構(gòu)造為用來確定與測(cè)得的反射光i普相關(guān)的參數(shù)；計(jì)
算測(cè)得的參數(shù)和預(yù)定目標(biāo)值之間的差值；并且如果該差值超出預(yù)定閾
值，則發(fā)送電壓給質(zhì)量流量控制器；以及 配備有氧化區(qū)的硬化爐。


圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案所述的剃刀刀片制造方法中的步驟的流程圖，包括通過熱氧化進(jìn)行的刀片著色。
圖2是用于硬化爐的溫度特征圖。 圖3A是氧化區(qū)的示意性側(cè)視圖。
圖3B為沿圖3A中的線A-A截取的噴口的示意性橫截面圖。
圖3C是供圖3A所示的氧化區(qū)使用的出料口的前視圖。
圖4為顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案所述的剃刀刀片制造方
法中的步驟的流程圖，包括通過還原和受控再氧化進(jìn)行的刀片著色。 圖5為處于其硬化前狀態(tài)和各種硬化后狀態(tài)的硬金屬氧化物刀
片鋼的反射光i普?qǐng)D(硬化在氧化區(qū)中使用不同的空氣流量進(jìn)行)。該
圖也顯示光鐠最小值(人min)和近似的刀片顏色之間的相關(guān)性。
圖6為顯示自動(dòng)顏色控制反饋回路的圖，所述回路由光度計(jì)、 處理器、質(zhì)量流量控制器、和配備有氧化區(qū)的硬化爐組成。 圖7為描述顏色控制反饋過程的流程圖。
圖8顯示硬化前的刀片鋼上的硬金屬氧化物膜的？Wnin、在反饋 控制下硬化后的刀片鋼上的硬金屬氧化物膜的Xmin、以及目標(biāo)最小波 長"。
不同附圖中類似的參考符號(hào)指示類似的元件。
具體實(shí)施例方式
一種用于形成彩色氧化物層和制造剃刀刀片的合適的熱氧化工 藝示意性地示于圖1中。首先，將一片刀片鋼裁切成條。然后，將 這些鋼條焊合并打孔，以便于后續(xù)加工期間的處理。
當(dāng)所需的硬化前步驟序列完成之后，使刀片材料經(jīng)受硬化工藝處
理，所述工藝包括不銹鋼的奧氏體化。圖2中顯示了在隧道爐中進(jìn) 行的用于硬化工藝的典型溫度特征圖。使材料快速升至高溫，例如大 約H60。C，在該溫度下保持一段時(shí)間，其間發(fā)生不銹鋼的奧氏體化， 然后進(jìn)行冷卻。組成氣體(例如包括氬和氮)在奧氏體化期間流過爐 的高溫區(qū)?？刂平M成氣體的組成和流量，使得不發(fā)生氧化并減少任何天然氧化物。在一個(gè)實(shí)施方案中，組成氣體包括氫(以防止氧化并還 原任何天然氧化物)和氮(作為惰性氣體而用于稀釋總的氫濃度)。
例如，在一些具體實(shí)施中，組成氣體可包括約75%氫和約25%的 氮，并且可以約7L/min至38L/min的流量輸送。
奧氏體化之后，鋼條穿過氧化區(qū)，其中彩色氧化物層在刀片鋼的 表面上生成。組成氣體由硬化爐流入氧化區(qū)。氧化氣體(例如包括氧) 在氧化區(qū)內(nèi)的理想點(diǎn)(其中鋼條已經(jīng)達(dá)到適于氧化的溫度的點(diǎn))處輸 入到組成氣體中，并推動(dòng)氧化過程。氧可以清潔的干燥空氣的形式提 供。氧化區(qū)和氧化條件(例如，氫與氧的比率)將在以下詳細(xì)討論。 在材料退出氧化區(qū)之后，將其快速淬火，從而導(dǎo)致不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn) 變。淬火不會(huì)破壞性地影響氧化物層的色彩。
本文所述的方法可加入到現(xiàn)有的刀片鋼硬化工藝中，通常對(duì)現(xiàn)有 工藝作最少的改變。例如， 一種現(xiàn)有的刀片鋼硬化工藝?yán)冒鲃?dòng) 的組成氣體的高溫爐(大于約1100。C)。以每條36.6m/min(120ft/min) 的速度將兩個(gè)平行連續(xù)的不銹鋼刀片條拉過該高溫爐。該高溫處理用 來使不銹鋼條奧氏體化?？拷邷貭t的出口是水冷套管(也稱為水冷 消音管)。該部分用來開始不銹鋼刀片條的冷卻工藝。在水冷區(qū)正后 方，不銹鋼刀片條被拉過一套水冷淬火裝置。淬火裝置開始鋼的馬氏 體轉(zhuǎn)變。可通過用以上提及的氧化區(qū)替換高溫爐與淬火裝置之間的水 冷消音管來對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)以形成彩色氧化物層。在某些情況 下，可對(duì)爐的溫度特征圖進(jìn)行改進(jìn)，使得鋼條在小于約800'C，或約 400°C至750°C，或甚至約600。C至700°C的溫度下退出該爐。
合適的氧化區(qū)示意性地顯示于圖3A中。氧化區(qū)可為例如連接 到用于^5更化生產(chǎn)線高溫爐中的管道上的Inconel管。在一個(gè)實(shí)施方案 中，將氣體噴口系統(tǒng)200安裝在距管202的入口約2.9cm處并被 確定尺寸向管下延伸5.1cm。在這種情況下，噴口總共具有16個(gè)進(jìn) 氣口 (未示出)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)以便通過噴口所注入的氣體(圖3A， 箭頭)將均勻地沖擊在不銹鋼條上。氣體通過一對(duì)進(jìn)氣管201、 203被 輸入到噴口?？蓛?nèi)裝氣體導(dǎo)流板204以便將刀片材料的兩個(gè)不銹鋼條彼此隔開，這樣在導(dǎo)流板每一側(cè)上的氣體組成可部分獨(dú)立于另 一 側(cè)
而進(jìn)行控制。導(dǎo)流板204可限定兩個(gè)腔室210、 212，如圖3B所示。 在這種情況下，氣體導(dǎo)流板例如可由距氧化區(qū)的入口約0.3cm處開 始并向管下延伸約10.2cm。如果需要，氣體導(dǎo)流板204可沿著氧化 區(qū)的整個(gè)長度延伸，使得不存在來自進(jìn)氣管201和203的氣流的混 合，允許對(duì)管內(nèi)導(dǎo)流板的兩側(cè)(210和212)進(jìn)行獨(dú)立控制。設(shè)計(jì)氣 體噴口以便雙重氣體流動(dòng)控制是可能的，使兩個(gè)條能夠使用同一個(gè)爐 同時(shí)進(jìn)行加工。氣體流速可使用氣體流量計(jì)進(jìn)行控制。氧化區(qū)每個(gè)腔 室的出口可裝設(shè)一個(gè)法蘭和兩片鋼218,其限定狹縫219并因此起 到出料門220的作用(圖3C)。狹縫可為例如約O.lcm至約0.2cm 寬。該出料門防止任何環(huán)境空氣回流進(jìn)氧化區(qū)中并也促進(jìn)氧化區(qū)內(nèi)部 的氣體更好地混合。如上所述，在氧化區(qū)正后面，將不銹鋼刀片條拉 過一套水冷淬火裝置206。淬火裝置開始鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變。
所需的色彩通常通過控制氧化物層的厚度和組成獲得。彩色氧化 物層的厚度和組成將取決于多個(gè)變數(shù)。例如，氧化物層的厚度將取決 于氧化氣體輸入時(shí)不銹鋼條的溫度，以及氧化區(qū)內(nèi)組成氣體與氧化氣 體的混合物中的氫與氧的比率。氧化物層的組成或化學(xué)計(jì)量將取決于 這些相同的因素，并且也取決于鋼條的形態(tài)和表面組成。通常，較低 的溫度和流速將產(chǎn)生金色，而較高的溫度和流速將產(chǎn)生紫羅蘭色至藍(lán) 色。在一些具體實(shí)施中，氬與氧的比率為約100:1至500:1。對(duì)于給 定類型的刀片材料，具有在該范圍中點(diǎn)附近的氫與氧比率將獲得美觀 的深藍(lán)色氧化物。增加相對(duì)量的氧將趨于導(dǎo)致淺藍(lán)和淺藍(lán)綠色，而降 低相對(duì)量的氧將趨于導(dǎo)致紫羅蘭色隨后是金色。
材料穿過氧化區(qū)的速度和氧化區(qū)的長度也將影響著色。合適的速 度可例如在約15m/min至約40m/min的范圍內(nèi)。
在一些情況下，為了獲得一致的最終產(chǎn)品，有必要調(diào)整硬化和/ 或氧化工藝的工藝參數(shù)。當(dāng)鋼條進(jìn)入氧化區(qū)時(shí)，其溫度可通過調(diào)整硬 化爐內(nèi)最后區(qū)的溫度和/或通過在氧化區(qū)內(nèi)使用加熱元件來控制。在鋼 條進(jìn)入氧化區(qū)時(shí)增加其溫度將增加在氧化區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的氧化物厚度。當(dāng)采用最常規(guī)的爐子進(jìn)行該工藝時(shí)，隨著鋼條進(jìn)入氧化區(qū)其溫度可僅僅 在首次開始該工藝時(shí)調(diào)整。由于進(jìn)入氧化區(qū)的氧化氣體的氣體組成可 快速調(diào)整，正是該參數(shù)通常用于補(bǔ)償鋼條材料中的參數(shù)變化以及細(xì)調(diào) 氧化物顏色。硬化爐中最后區(qū)的精確溫度設(shè)定值以及氧化氣體的精確 組成的選擇將基于(除了其它因素之外)所需的鋼條顏色、尺寸、形 狀、組成以及速度。一種用于通過還原/再氧化工藝施加彩色涂層并且制造剃刀刀片的合適的過程示意性地顯示于圖4中。如圖4所示，優(yōu)選地在將片 材裁切到典型地明顯寬于最終的刀片寬度的所需寬度之前，將氧化物 或氮氧化物層涂敷到由其形成刀片的片材上。在這個(gè)階段執(zhí)行涂敷步 驟使制造簡化，因?yàn)橐淮慰赏糠蠛艽蟮谋砻娣e。氧化物涂層例如通過 物理氣相沉積(PVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)或其它沉 積技術(shù)以一層均勻的厚度被涂敷到一片軟刀片鋼材上。該層典型地為 約400埃至約10,000埃，例如約500埃至約800埃。當(dāng)所需的預(yù)硬化步驟順序已經(jīng)被完成之后，使刀片材料經(jīng)受硬化 工藝處理，其導(dǎo)致不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變。圖2中顯示了在隧道爐中 進(jìn)行的用于硬化工藝的典型溫度特征圖。爐內(nèi)部的溫度分布曲線包括 將材料溫度快速躍升到高溫，例如接近1160°C，將材料在該溫度保 溫一段時(shí)間，在該期間發(fā)生不銹鋼的奧氏體化。在材料離開爐子之后， 將其快速淬火，引起不銹鋼的馬氏體化。在硬化工藝期間，氧化物涂層被"彩色化"，即，氧化物涂層的彩 色化被增強(qiáng)和/或改變。彩色化可導(dǎo)致色彩的增強(qiáng)，例如給予更鮮艷的 色調(diào)或更明亮的外觀，和/或可導(dǎo)致涂層的色彩改變成不同的色彩，例 如從藍(lán)灰色變成紫色、金色或藍(lán)色，或從暗綠色變成鮮艷的綠黃色、 黑綠色或藍(lán)綠色。該彩色化由涂層的折射指數(shù)上的變化而產(chǎn)生，折射 指數(shù)上的變化又由氧化物涂層的成分、化學(xué)計(jì)算成分和/或晶體結(jié)構(gòu)上 的變化而產(chǎn)生。表觀薄膜折射指數(shù)的變化程度將控制彩色薄膜的色 彩。彩色化之后涂層的成分和晶體結(jié)構(gòu)以及涂層的最終色彩將取決于幾個(gè)變量。例如，涂層的成分或化學(xué)計(jì)算將取決于硬化步驟期間爐 中所存在的氣體。僅將氮輸入爐子中通常會(huì)將最初的灰藍(lán)色氧化鈦涂 層改變成鮮藍(lán)色或藍(lán)紫色。這種色彩變化是由于氧化鈦涂層的氧含量 降低的緣故。如果將空氣和/或水分輸入到爐中，氧化鈦涂層的氧含量 的降低要少得多，因此所得的折射率更高。
影響彩色化的其它變量是氧化物涂層的初始厚度和成分，硬化爐 的溫度分布曲線和材料通過爐子的速度。如果涂層的厚度和/或成分在 材料的長度上變化，則必須調(diào)整硬化工藝的工藝參數(shù)以便獲得一致的 最終產(chǎn)品。由于難以快速調(diào)節(jié)典型地用于硬化的大隧道爐中的溫度和 環(huán)境條件，最理想的是提供一個(gè)可更快調(diào)節(jié)的單獨(dú)的、較短的爐(下 文稱為"氧化區(qū)，，)。因此，常規(guī)的大隧道爐可用于硬化操作的高溫步 驟以略微減小氧化物涂層(這也可增加其組成的均勻性)，并且附加 的較短的爐可用于氧化/彩色化，從而提供氧化區(qū)，在其中氣體組成可 較快速地調(diào)節(jié)以補(bǔ)償材料中的變化。此氧化區(qū)中的鋼條溫度并且因而 著色環(huán)境響應(yīng)性可通過調(diào)節(jié)高溫爐的最后區(qū)的設(shè)定值來上下調(diào)節(jié)。然
的氣體的成分和/或流量。
該氧化區(qū)可類似于上文關(guān)于熱氧化物刀片著色所述且如先前圖
3A所示的那種。當(dāng)被利用時(shí)，氧化區(qū)位于高溫爐和第一套水冷淬火 裝置之間，并代替用在標(biāo)準(zhǔn)硬化生產(chǎn)線上的水冷消音管?？筛倪M(jìn)爐溫 度特征圖以使涂敷過的不銹鋼刀片條以接近或低于約1160。C的溫 度退出硬化爐并進(jìn)入氧化區(qū)。也可釆用將加熱元件添加到氧化區(qū)上來 改進(jìn)該工藝的穩(wěn)定性，例如在啟動(dòng)期間。氧化氣體(例如作為干燥空 氣和氮輸入的氧氣和氮?dú)獾幕旌衔?可被用來控制著色工藝。在這種 情況下，它被直接添加到來自高溫爐的氣體流中。
本發(fā)明人已開發(fā)出用于自動(dòng)顏色控制的方法和系統(tǒng)，它們適用于 但不限于用于上述任一種著色工藝中。建立一種反饋回路(閉環(huán)控 制)，所述回路包括下列步驟測(cè)量顏色；比較測(cè)得的顏色和目標(biāo)顏 色并且量化它們之間的差值；并且如果該差值超過了預(yù)定閾值，則調(diào)
13節(jié)顏色調(diào)節(jié)參數(shù)例如進(jìn)入氧化區(qū)的空氣流量，使得測(cè)得的顏色和目標(biāo) 顏色相等同或處在預(yù)定偏差內(nèi)。優(yōu)選的系統(tǒng)和方法可基本上減小可檢 測(cè)到的長期顏色變化或顏色漂移。在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于用于自動(dòng)控制剃刀刀片顏色的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光度計(jì)、處理器、質(zhì)量流量控制器(MFC)、和配備 有氧化區(qū)的硬化爐。光度計(jì)測(cè)量刀片鋼的當(dāng)其退出著色工藝時(shí)的反射 光諳(例如，硬化的和再氧化的金屬氧化物涂布的刀片鋼或熱氧化的 刀片鋼)。反射光i普為返回到光度計(jì)的反射光對(duì)反射光波長的百分比。 處理器確定與測(cè)得的反射光i普相關(guān)的參數(shù)，例如最小反射光的波長 (Xmin),并且計(jì)算測(cè)得的參數(shù)和預(yù)定目標(biāo)值之間的差值。如果該差值超 過預(yù)定閾值，則由處理器發(fā)送電壓給質(zhì)量流量控制器，以或者增大或 者減小進(jìn)入氧化區(qū)的清潔的干燥空氣流量，從而逼近目標(biāo)值。在一些 具體實(shí)施中，該參數(shù)為最大反射光波長(U。顏色的測(cè)量可能相當(dāng)主觀和復(fù)雜，這是由于存在測(cè)量配置、標(biāo)準(zhǔn) 和方法以及包括"色帶間隔"的自由度的多樣性的緣故。國際照明委員 會(huì)(CIE)已制定了標(biāo)準(zhǔn)，借助所述標(biāo)準(zhǔn)可使用規(guī)定的數(shù)值來表示顏色。 根據(jù)CIE的標(biāo)準(zhǔn)，顏色典型地由3個(gè)參數(shù)限定。有利的是，通過使 用單參數(shù)例如^化或Xmax作為對(duì)顏色的命名，3維的色帶間隔就可 用單數(shù)值來表示。然后，可將此單數(shù)值容易地用作顏色控制參數(shù)，以 在實(shí)時(shí)反饋回路中調(diào)節(jié)單顏色調(diào)節(jié)參數(shù)(例如，空氣流量)。對(duì)于本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)顏色控制的第一步驟為測(cè)量和限定顏色。 刀片鋼上的硬金屬氧化物或氧化物膜的反射光鐠遵循由以下公式給 出的薄膜干涉關(guān)系式，所述公式可從上述公式(l)推導(dǎo)得出。2n4 =(m-l/2) kmin(2)其中nf=金屬氧化物膜的折射率 d=金屬氧化物膜的厚度 m=整數(shù)，表示干涉級(jí)次Xmin=反射波長的最小值，以及
e=o對(duì)應(yīng)于垂直入射到氧化物膜上的光。
在公式(2)中，nf > ns，其中ns為基底(刀片鋼)的折射率。 當(dāng)nf < ns時(shí)，薄膜干涉關(guān)系式可如下所示地得到改進(jìn)
2nfd=m ^min(3)。
每個(gè)光語均具有最小值(U,其與膜厚度(d)和折射率(nf)成正比。
圖5為用光纖光度計(jì)測(cè)量的硬化前及硬化后的二氧化鈦涂布的 刀片鋼的反射光i瞽(反射光對(duì)波長的關(guān)系)。每條曲線對(duì)應(yīng)于相同的 膜厚度但對(duì)應(yīng)于不同的折射率。硬化前的膜的情況由光譜曲線1表 示，其具有約720nm的lmin 2。經(jīng)歷硬化工藝之后，膜中的氧化物 減少，這也減小了 nf，因而使光i普和相關(guān)的Xmin向較短波長漂移。 其余的光譜曲線表示在氧化區(qū)中經(jīng)歷了不同量的空氣流量的硬化后 的二氧化鈦膜的情況。例如，硬化后的膜的反射曲線3顯示具有約 480nm的Xmin 4。該材料在沒有空氣流入氧化區(qū)的情況下產(chǎn)生。具有 遞增的^min的相鄰曲線表示在有遞增的空氣流量進(jìn)入氧化區(qū)的情況 下產(chǎn)生的硬化后的二氧化鈦膜。由于再氧化的量隨著空氣流量的增加 而增加，折射率也隨著增加。這使光i普和相關(guān)的向較長波長漂 移。對(duì)于相關(guān)的一組條件，用于圖5中的硬化后的二氧化鈦膜的空 氣流量在(但不限于)0mL/min至200mL/min的范圍內(nèi)。每個(gè)光 鐠和相關(guān)的Xmin均與一種不同的顏色相關(guān)聯(lián)，所述顏色如圖頂部的 色標(biāo)所示(色標(biāo)以黑白方式復(fù)制；原始色標(biāo)在遠(yuǎn)左端以粉紅色開始， 逐漸加深至紫色、藍(lán)紫色、以及中心處的深藍(lán)色，然后逐漸淡入至遠(yuǎn) 右端的淡藍(lán)色)。指針5從硬化的材料的光語曲線1的最小波長2 至圖頂部的色標(biāo)的指向指示720nm的kmin具有淡藍(lán)色6的視覺 外觀。指針7從硬化后的材料的光譜曲線3的最小波長4至圖頂 部的色標(biāo)的指向指示480nm的Xmin具有紫色8的視覺外觀。因此，使用Xmin作為對(duì)膜顏色的命名可使3維的色帶間隔由單參數(shù)來 表示。
實(shí)現(xiàn)顏色控制的第二步驟是建立反饋回路，其可使被瞄準(zhǔn)顏色保 持不變，盡管存在硬金屬氧化物膜厚度和折射率的漂移或與熱氧化物 著色工藝相關(guān)的參數(shù)(例如，溫度、氣體濃度等)的漂移。圖6描 述自動(dòng)顏色控制反饋回路，其由光度計(jì)系統(tǒng)9、處理器13、質(zhì)量流 量控制器14、和配備有氧化區(qū)的硬化爐15組成。駐留在處理器中 的軟件程序聯(lián)系并控制光度計(jì)，分析反射光譜，并且聯(lián)系并控制質(zhì)量 流量控制器。光度計(jì)系統(tǒng)9由光源10例如鵠光源、光度計(jì)11、和 光纖反射/反向散射探針12組成。源自光源10的光被耦合進(jìn)一束六 支照明纖維17中。這六支照明纖維圍繞定位在中心的讀取纖維18， 所述讀取纖維連接到光度計(jì)11上。從照明纖維17發(fā)出的光照射到 樣本16上。然后從樣本反射的光由中心讀取纖維18收集，并且耦 合進(jìn)光度計(jì)11中。在光度計(jì)11內(nèi)，光由衍射光柵準(zhǔn)直并分散到檢 測(cè)器陣列上，所述陣列的像素是空間校準(zhǔn)的以致可將沿陣列的線性位 置與特定波長相關(guān)聯(lián)。處理器13顯示反射光在每個(gè)波長處的強(qiáng)度。 光纖芯直徑典型地在(但不限于)100微米至400微米的范圍內(nèi)。 較小的光纖芯直徑允許較小的取樣點(diǎn)直徑，代價(jià)是進(jìn)入光纖中的光學(xué) 耦合的效率較低，導(dǎo)致可用于測(cè)量的光較少。處理器確定最小反射光 的波長，然后發(fā)送計(jì)算出的控制電壓VN+119給質(zhì)量流量控制器14， 所述質(zhì)量流量控制器控制進(jìn)入氧化區(qū)15的空氣流的量，從而完成反
饋回路。該計(jì)算出的控制電壓涉及最小反射的目標(biāo)波長(人T)和測(cè)得的
最小反射的波長()Win)之間的差值?？刂齐妷旱挠?jì)算可利用傳統(tǒng)的基于 顏色差值的比例、積分、導(dǎo)數(shù)(PID)型反饋，和/或引入多種前饋和自 適應(yīng)建模技術(shù)以減小同時(shí)由噪聲引起的顏色變化。用來確定實(shí)現(xiàn)(^-、in)<閾值所需的質(zhì)量流量控制器(MFC)的控制電壓的算法的一個(gè) 實(shí)施例如下所示
Vn+1 = Vn + AV = Vn + [(XT - Xmin)G/[McolorMMFC(4)
16其中Vn+1:以伏為單位的新MFC控制電壓 Vn:以伏為單位的老MFC控制電壓AV:以伏計(jì)的為使("-kmin)〈閾值所需的控制電壓的變化":以nm為單位的目標(biāo)最小波長Xmin:以nm為單位的測(cè)得的最小波長G:反饋回路增益設(shè)定值，無量綱Mc。,。r:以(nm-min)/mL為單位的顏色比降MMFC:以mL/(min-volt)為單位的質(zhì)量流量控制器比降在上述公式4中，使("-Xmin)小于某個(gè)預(yù)定閾值(T)所需的新 MFC電壓設(shè)定值(Vn+0等于現(xiàn)有電壓設(shè)定值(Vn)加上某個(gè)調(diào)節(jié)電壓(AV)。實(shí)驗(yàn)確定的顏色比降(Mc。^)為kmin對(duì)對(duì)應(yīng)于刀片鋼上的具體 金屬氧化物涂布的材料的空氣流量曲線和硬化爐參數(shù)的比降。MFC 比降(MMFc)為描述施加到MFC上的電壓和相關(guān)的流量之間關(guān)系的 公式。例如，如果對(duì)于對(duì)應(yīng)的0伏至5伏的控制電壓MFC流量范 圍為OmL/min至200mL/min，則該比降將為40mL/(min-volt)?？?將閾值(T)設(shè)定得非常小以用于密切的顏色控制，或甚至設(shè)定為零。描 述顏色控制反饋過程的流程圖顯示于圖7中。顯示反饋回路的性能的圖示于圖8中。圖頂部的三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)100表示接收到的(硬化前的)最小波長(AR)wnin)，所述波長由刀片鋼上的二氧化鈦膜的反射光鐠測(cè)得。平均值為760.4nm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 2.8nm。為了模擬硬化前的刀片鋼上的硬金屬氧化物膜的Lin和目標(biāo) 最小波長kT之間的大差別，并且為了展示顏色控制的范圍，設(shè)定值 或目標(biāo)顏色(^r)被遞增地改變，如階梯狀短劃線101、 102、 ...， 108所 示。短劃線周圍的菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)109、 110...， 116表示在反饋控制下 硬化后測(cè)得的最小波長(AH、in)。測(cè)得的kmin符合設(shè)定值XT，標(biāo)準(zhǔn)偏差為約3.3nm。光語掃描值的平均可用來改進(jìn)信噪比并減小測(cè)量誤 差，代價(jià)是數(shù)據(jù)更新之間的時(shí)延較長。為了改進(jìn)反饋回路的響應(yīng)性，質(zhì)量流量控制器的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)當(dāng)盡 可能快，并且應(yīng)當(dāng)最小化包括氧化區(qū)和相關(guān)的將清潔的干燥空氣運(yùn)載 到氧化區(qū)的管道的空間的體積。另外，由于刀片鋼以較高速度(例如，60.9cm/s(24in/s))穿過硬化爐和氧化區(qū)而行進(jìn)，重要的是將光度計(jì)的 光纖探針(或其它測(cè)量儀器)盡可能地靠近氧化出口放置。隨著膜厚度的增大，反射光譜可顯示具有對(duì)應(yīng)于連續(xù)干涉級(jí)次 (m)的多個(gè)最大值和最小值。如果多個(gè)反射最小值處在光度計(jì)波長的 范圍內(nèi)，則處理器軟件程序可使用開窗功能來將其對(duì)Xmin的搜索限 制于該波長范圍的特定部分中，以便分離出對(duì)應(yīng)于特定干涉級(jí)次的光 鐠最小值。更復(fù)雜的軟件可利用多個(gè)反射最大值和最小值的數(shù)目和位 置來監(jiān)測(cè)和控制鋼條顏色?，F(xiàn)在已描述了本發(fā)明的一些實(shí)施方案。但是應(yīng)當(dāng)理解，在不背離 本發(fā)明精神和范圍的條件下可以進(jìn)行各種修改。例如，除了使用用光度計(jì)測(cè)量的反射光i普的特性作為反饋控制參 數(shù)之外，還可使用其它類型的帶有它們自己特性的測(cè)量系統(tǒng)來確定用 于反饋回路的控制參數(shù)。例如， 一種"RGB"即三光源色差傳感器可通 過將從樣本材料反射的紅光、綠光和藍(lán)光的比率與源自具有特定目標(biāo) 顏色的材料的這些顏色的比率相比較來表示顏色。該傳感器的輸出為 一種百分比，其表示樣本材料的顏色在多大程度上接近目標(biāo)材料的顏 色。該傳感器的輸出可用作反饋回路的控制參數(shù)。此外，如上所述，可使用反射最大值(^M)而非Xmin作為對(duì)顏色 的命名，并且遵循類似的薄膜干涉關(guān)系式。因此，其它實(shí)施方案在以下權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。本文所公開的尺寸和數(shù)值不應(yīng)理解為嚴(yán)格局限于所引用的精確 數(shù)值。相反，除非另外指明，每個(gè)這樣的尺寸是指所引用數(shù)值和圍繞 那個(gè)數(shù)值的函數(shù)等同的范圍。例如，公開為"40mm"的尺寸是指"約 40mm"。發(fā)明詳述中所有引用文獻(xiàn)的相關(guān)部分均以引用方式并入本文中。 任何文獻(xiàn)的引用不可理解為是對(duì)其作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的認(rèn)可。如相同術(shù)語的任何含義或定義發(fā)生沖突，則以在本文件中對(duì)那條術(shù)語指 定的含義或定義為準(zhǔn)。盡管已用具體實(shí)施方案來說明和描述了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域的 技術(shù)人員顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下 可作出許多其它的變化和修改。因此，有意識(shí)地在附加的權(quán)利要求書 中包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)剃刀刀片的方法，特征在于所述方法包括自動(dòng)反饋回路測(cè)量從著色工藝退出的刀片鋼條的顏色參數(shù)；比較所測(cè)得的顏色和目標(biāo)顏色并且量化它們之間的差值；并且如果該差值超過了預(yù)定閾值，則調(diào)節(jié)顏色調(diào)節(jié)參數(shù)，使得所測(cè)得的顏色和目標(biāo)顏色相等同或處在預(yù)定偏差內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述著色工藝包括使所述鋼 條穿過氧化區(qū)，并且所述顏色調(diào)節(jié)參數(shù)包括在所述氧化區(qū)中的空氣流 量。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)量步驟包括測(cè)量刀片 鋼的反射光語。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述顏色參數(shù)為所述反射光 鐠的最大值或最小值。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述測(cè)量步驟使用光度計(jì)來進(jìn)行。
6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟包括使用質(zhì)量 流量控制器來調(diào)節(jié)所述空氣流量。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述著色工藝包括熱氧化工 藝或還原/再氧化工藝。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述熱氧化工藝或還原/再氧 化工藝為鋼硬化工藝的一部分。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述差值的量化由處理器進(jìn)行。
10. —種用于自動(dòng)控制剃刀刀片顏色的系統(tǒng)，特征在于所述系統(tǒng)包括光度計(jì)，其被構(gòu)造為用來測(cè)量刀片鋼在退出著色工藝時(shí)的反射光鐠；控制器，其被構(gòu)造為用來調(diào)節(jié)所述著色工藝的參數(shù)；處理器，其被構(gòu)造為用來確定與所測(cè)得的反射光語相關(guān)的參數(shù)， 計(jì)算所測(cè)得的參數(shù)和預(yù)定目標(biāo)值之間的差值，并且如果該差值超出預(yù)定閾值，則發(fā)送電壓給質(zhì)量流量控制器；以及 配備有氧化區(qū)的硬化爐。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述參數(shù)為所述反射光鐠 的最小反射光(U或最大反射光(U的波長或更高級(jí)次的最小值 或最大值。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于自動(dòng)顏色控制的方法和系統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)適用于各種用于對(duì)熱處理鋼例如剃刀刀片鋼著色的氧化工藝。建立一種反饋回路(閉環(huán)控制)，所述回路包括以下步驟測(cè)量顏色；比較測(cè)得的顏色和目標(biāo)顏色并且量化它們之間的差值。如果該差值超過了預(yù)定閾值，則調(diào)節(jié)顏色調(diào)節(jié)參數(shù)，例如進(jìn)入氧化區(qū)的空氣流量，使得測(cè)得的顏色和目標(biāo)顏色相等同或處在預(yù)定偏差內(nèi)。
文檔編號(hào)B26B21/54GK101331008SQ200680047054
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者A·凱爾塞, A·波卡羅, J·A·德普特, K·J·斯科羅比斯 申請(qǐng)人:吉萊特公司